Extraire l'hydrogène vert de l'eau grâce à des « feuilles artificielles » spéciales qui augmentent l'efficacité sous pression

Cellules photoélectrochimiques plus efficaces utilisant des pressions élevées : une nouvelle étude de HZB révèle que le fonctionnement à 8 bars réduit de moitié les pertes et augmente l'efficacité énergétique de 10 %

Saviez-vous que lehydrogèneL'énergie solaire, l'une des sources d'énergie les plus propres, peut-elle être produite à partir de la lumière du soleil ? Les cellules photoélectrochimiques (PEC) sont des dispositifs innovants qui utilisent la lumière du soleil pour diviser l'eau et produire de l'hydrogène. Mais comment pouvons-nous améliorer encore l’efficacité de ces cellules ? Une équipe de recherche deHZB ont découvert que le fonctionnement des cellules PEC à des pressions plus élevées peut réduire de moitié les pertes d'énergie et augmenter l'efficacité jusqu'à 10 %.

Cellules photoélectrochimiques, souvent définies comme «feuilles artificielles« , utilisez des photoélectrodes inorganiques pour générer la tension nécessaire à la division électrolytique de l'eau via la lumière du soleil, au lieu du photosystème II complexe de feuilles naturelles. Ce procédé permet de produire de l'hydrogène plus efficacement en exploitant l'énergie solaire.

Les appareils les plus performants atteignent déjà un rendement de conversion énergétique allant jusqu'à 19 %. Cependant, à ces rendements élevés, les pertes dues à la formation de des bulles d'air deviennent pertinents. Les bulles diffusent en effet la lumière, empêchant un éclairage optimal de l'électrode, et peuvent bloquer le contact entre l'électrolyte et la surface de l'électrode, provoquant une désactivation électrochimique. Pour minimiser ces pertes, réduire la taille des bulles en opérant à des pressions plus élevées pourrait être une solution. Jusqu'à présent, toutes les cellules PEC fonctionnaient à pression atmosphérique (1 bar).

Comment ça marche

Une équipe de l'Institut des combustibles solaires du HZB a étudié la division de l'eau à haute pression dans des conditions pertinentes pour les cellules PEC. Ils ont mis sous pression des cellules d'écoulement PEC avec du gaz à des pressions comprises entre 1 et 10 bars, enregistrant divers paramètres pendant l'électrolyse. Ils ont également développé un modèle multiphysique du processus PEC et l'ont comparé aux données expérimentales obtenues à des pressions normales et élevées.

L'analyse a montré qu'une augmentation de la pression de fonctionnement à 8 bars réduit de moitié les pertes d'énergie totales, conduisant à une augmentation relative du rendement global de 5 à 10 %. Médecin Feng Liangpremier auteur de l'article publié dans Nature Communications, a expliqué :

Les pertes optiques dues à la diffusion peuvent être presque totalement évitées à cette pression. Nous avons également observé une réduction significative du transfert d’oxygène vers l’électrode opposée.

Au-dessus de ce niveau de pression, aucun autre avantage n'est obtenu, c'est pourquoi l'équipe suggère une plage de pression de fonctionnement optimale pour les électrolyseurs PEC comprise entre 6 et 8 bars. Le professeur Roel van de Kroldirecteur du Solar Fuel Institute du HZB, a déclaré :

Ces résultats, et en particulier le modèle multiphysique, pourront être étendus à d’autres systèmes et permettront d’augmenter l’efficacité des dispositifs électrochimiques et photocatalytiques.

Source: Helmholtz-Zentrum Berlin pour les matériaux et l'énergie